JP2012241847A - 複合制震ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造によって、構造物に生じる様々な振動に対して、構造物の振動特性の制御による揺れの抑制効果とエネルギー吸収による制震効果とを同時に奏することが可能になる制震ダンパーを提供する。
【解決手段】端部１１ａ、１１ｂが振動によって相対変位を生じる構造物の架構の対向部材に接続されるとともに地震時に降伏する降伏部分１５が形成された軸部材１１と、軸部材１１の面外方向への変形を拘束するように軸部材の表面に添設され、一端部１２ａが軸部材１１に連結されるとともに他端部１２ｂが自由端とされた座屈拘束部材１２とを備えた変位依存型ダンパー１０に、軸部材１１と座屈拘束部材１２の自由端１２ａとの間に生じる相対変位を円盤２３の回転運動に変換して、円盤２３の回転慣性質量による慣性力によって上記相対変位に対する復元力を生じさせる回転慣性質量ダンパー２０を並列的に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、強風や地震等によって構造物に生じる振動に対して、当該構造物の振動特性（周期やモード形）を制御してその揺れを抑制するとともに、同時にエネルギー吸収による制震効果も発揮することができる複合制震ダンパーに関するものである。

近年、強風や地震時に構造物の架構に生じる変形を円盤の回転運動に変換して、当該円盤の回転慣性質量による慣性力を復元力として利用することにより上記構造物の揺れを抑制するようにした回転慣性質量ダンパーが開発され、上記構造物の様々な箇所における振動制御に利用されつつある。

この回転慣性質量ダンパーは、例えば図９に示すように、軸受け１によって一端部が回転自在に支持されたボールネジ２と、このボールネジ２の外周に固定された円盤３と、ボールネジ２の他端部を支持するとともに、ボールネジ２が螺合するボールナット４とから概略構成され、軸受け１が地震時等に相対変位を生じる架構における一方の部材に固定されるとともにボールナット４が他方の部材に固定されて設置されるものである。

上記回転慣性質量ダンパーによれば、地震時等に上記部材間に相対変位が生じると、上記相対変位がボールネジ２の回転運動に変換され、これにより、円盤３の質量をｍ、円盤３の半径をＲ、ボールネジ２のリードをＬとしたときに、ΔＭ＝２×ｍ×（π×Ｒ／Ｌ）²で表される大きな回転慣性質量ΔＭを得ることができるために、当該回転慣性質量ΔＭの慣性力によって、構造物の振動特性（周期やモード形）を制御して応答（揺れ）を低減させることができる。

ところで、上記回転慣性質量ダンパーにあっては、当該ダンパーに生じる相対加速度に比例した復元力を発揮することができるものの、エネルギーの吸収機能は有していない。このため、上記回転慣性質量ダンパーを構造物の制震に利用する場合には、別途オイルダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー等の速度依存型ダンパーや、摩擦ダンパー、鋼材ダンパー等の変位依存型ダンパーといったエネルギー吸収機能を有するダンパーと組み合わせて用いる必要がある。

しかしながら、上記回転慣性質量ダンパーに対して、これらのエネルギー吸収機能を有するダンパーを併設する場合に、ダンパーの設置場所に制限があり、加えてダンパーの総数が増えてコスト高になるなどの問題点がある。

なお、下記特許文献１には、免震対象構造物を、鉛直免震部を介してその下方の支持構造物で支持することにより、免震対象構造物の上下振動を長周期化する上下免震装置において、上記免震対象構造物と支持構造物との間に、免震対象構造物の上下動に連動することで上下振動に関与する質量を増加させる回転慣性質量ダンパーを設けた構成が開示されている。

特開２００４−４４７４８号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造によって、構造物に生じる小振幅から大振幅に至る様々な振動に対して、当該構造物の振動特性の制御による揺れの抑制効果と、エネルギー吸収による制震効果とを同時に奏することが可能になる複合制震ダンパーを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、振動によって相対変位を生じる構造物の架構の対向部材間に介装されて、上記相対変位を抑制するとともに上記振動のエネルギーを吸収する複合制震ダンパーであって、各々の端部が上記対向部材に接続されるとともに地震による上記相対変位によって降伏する降伏部分が形成された軸部材と、この軸部材の面外方向への変形を拘束するように当該軸部材の表面に添設され、一端部が上記軸部材に連結されるとともに他端部が自由端とされた座屈拘束部材とを備えた変位依存型ダンパーに、上記軸部材と上記座屈拘束部材の上記自由端との間に生じる相対変位を円盤の回転運動に変換して、当該円盤の回転慣性質量による慣性力によって上記相対変位に対する復元力を生じさせる回転慣性質量ダンパーを並列的に設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記回転慣性質量ダンパーが、軸線を上記軸部材および上記座屈拘束部材の延在方向に沿わせて配設されるとともに、一端部が上記軸部材側に固定された軸受けに回転自在に支持されたボールネジと、このボールネジの外周に固定された円盤と、上記座屈拘束部材の上記自由端側に固定されて上記ボールネジを支持するとともに、当該ボールネジの軸線方向の移動を回転運動に変換するボールナットとを備えてなることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記軸部材が、平板状鋼材または十字型鋼材からなり、かつ上記座屈拘束部材が、その表面を上記軸部材の表面に沿わせて相対変位自在に配設された角型鋼管であるとともに、上記軸部材に、面外方向に突出するブラケットを固定し、当該ブラケットに上記回転慣性質量ダンパーの上記軸受けを取り付けるとともに、上記ボールネジ、上記円盤および上記ボールナットを上記角型鋼管の内部に配置したことを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明においては、強風や地震によって構造物に振動が加わり、これによって架構の上記部材間に相対変位が生じると、軸部材と座屈拘束部材の自由端側との間に上記相対変位が生じ、これによって回転慣性質量ダンパーの円盤が回転運動する。そして、この回転する円盤の回転慣性質量による慣性力によって生じる復元力により、振動特性（周期やモード形）が制御され、上記相対変位が抑制される。

加えて、上記構造物に地震による振動が加わった場合には、軸部材に形成した降伏部分が降伏して塑性変形し、履歴減衰ダンパーとして機能する。この結果、当該軸部材の降伏部分における履歴減衰によって、振動エネルギーを吸収する制震効果を発揮させることができる。

このように、本発明に係る制震ダンパーによれば、履歴減衰ダンパーとして機能する変位依存型ダンパーと回転慣性質量ダンパーとを並列的に一体化しているために、設置場所に制約がある構造物においても、簡易な構造によって、上記構造物に生じる振動に対して、当該構造物の振動特性の調整による揺れの抑制効果と、エネルギー吸収による制震効果とを奏することが可能になる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、上記軸部材として平板状鋼材または十字型鋼材を用いるとともに、上記座屈拘束部材として角型鋼管を用いて、回転慣性質量ダンパーを構成するボールネジ、円盤およびボールナット等の部材を、座屈拘束部材を構成する角型鋼管の内部に配置しているために、極めてコンパクトな外観形状によって、変位依存型ダンパーおよび回転慣性質量ダンパーの機能を発揮することができ、設置が一層容易になる。加えて、回転部材であるボールネジや円盤を、管状の座屈拘束部材で覆うことにより保護することもできる。

本発明に係る複合制震ダンパーの第１の実施形態を示す正面図である。 図１の平面図である。 図１の側面図である。 図１の変位依存型ダンパーを示す分解斜視図である。 図４の要部の縦断面図である。 本発明に係る複合制震ダンパーの第２の実施形態を示すもので、座屈拘束部材を縦断視した正面図である。 図６の平面図である。 図６の側面図である。 従来の回転慣性質量ダンパーを示す模式図である。

（第１の実施形態）
図１〜図５は、本発明に係る複合制震ダンパーの第１の実施形態を示すもので、図中符号１０が履歴減衰ダンパーとしての機能を発揮する変位依存型ダンパーである。
この変位依存型ダンパー１０は、図４〜図５に示すように、軸部材１１と座屈拘束部材１２とから概略構成されたものである。

ここで、軸部材１１は、一端部１１ａおよび他端部１１ｂが、それぞれ振動によって相対変位を生じる構造物の架構の対向部材に接続される十字型鋼材であり、この軸部材１１の端部１１ｂ側には、軸面積が大きい弾性部分１４が形成されている。そして、この弾性部分１４と端部１１ａとの間には、弾性部分１４よりも軸面積が小さい降伏部分１５が形成されている。

そして、軸部材１１の四隅には、それぞれ角型鋼管からなる上記座屈拘束部材１２が相対変位自在に配設されており、これら座屈拘束部材１２は、互いの隣接部に沿って接合されたフラットバー１６により一体的に連結されている。これにより、各々の座屈拘束部材１２は、軸部座１１の面外方向への過度の変形を拘束すべく、その表面と軸部材１１の表面との間に僅かな隙間を介して、当該軸部材１１に沿って配置されている。

さらに、軸部材１１の端部１１ｂ側には、ボルト挿入孔１７が穿設されている。そして、座屈拘束部材１２は、その端部１２ａに形成されたボルト挿入孔に挿入された高力ボルト１８が上記軸部材１１のボルト挿入孔１７に挿入されて締め付けられることにより、当該端部１２ａにおいて軸部材に一体化されている。これにより、座屈拘束部材１２は、上記端部１２ａが軸部材１１の端部１１ｂを介して構造物に固定されるとともに、他端部１２ｂが自由端とされている。

そして、図１〜図３に示すように、上記構成からなる変位依存型ダンパー１０の軸部材１１の一端部１１ａの外周縁に、当該軸部材１１と同一面上をさらに外方に向けて突出するようにして方形板状のブラケット１９が固定され、当該ブラケット１９と座屈拘束部材１２との間に、回転慣性質量ダンパー２０が並列的に設けられている。

この回転慣性質量ダンパー２０は、軸線を軸部材および座屈拘束部材１１、１２に沿わせて配設され、一端部がブラケット１９に固定された軸受け２１に回転自在に支持されたボールネジ２２と、このボールネジの外周に固定された円盤２３と、座屈拘束部材１２を連結するフラットバー１６に固定されてボールネジ２２を支持するとともに、ボールネジ２２の軸線方向の移動を、内部に組み込まれてボールネジ２２のネジと螺合するボール２４ａによって回転運動に変換するボールナット２４とから構成されたものである。

ここで、ボールナット２４は、上記軸線方向に間隔をおいて複数（図では２組）配置されており、ボールネジ２２の外周には、各ボールナット２４の前後に位置するように複数（図では合計５つ）の円盤２３が固定されている。また、ブラケット１９には、ボールネジ２２の軸線方向に延在する長穴１９ａが形成されている。

そして、このブラケット１９の両面に、当該ブラケット１９を間に挟むようにして一対の取付板２５が配置され、これら取付板２５の先端部に軸受け２１が接合されている。また、ブラケット１９と取付板２５との間には、摩擦材２６が介装されている。

そして、これら摩擦材２６および取付板２５は、上記軸線方向に間隔をおいて複数本（図では２本）配置され、これらを貫通してブラケット１９の長穴１９ａに挿通されたボルト２７が、所定の締め付け力でナットが締め付けられることにより、ブラケット１９を挟持するようにして取り付けられている。

以上の構成からなる複合制震ダンパーによれば、軸部材１１に弾性部分１４と降伏部分１５とを形成して、軸部材１１に、その面外方向への過度の変形を拘束する座屈拘束部材１２を添設するとともに、この座屈拘束部材１２の自由端１２ｂと軸部材１１の端部１１ａとの間に、回転慣性質量ダンパー２０を設けているために、履歴減衰ダンパーの機能を発揮する変位依存型ダンパー１０と回転慣性質量ダンパー２０とが並列的に配置された構成になっている。

これにより、強風や地震によって構造物に振動が加わり、これによって架構の上記部材間に相対変位が生じると、軸部材１１の弾性部分１４が弾性変形することにより、軸部材１１の端部１１ａと座屈拘束部材１２の自由端１２ｂとの間に上記相対変位が生じる。すると、回転慣性質量ダンパー２０のボールネジ２２がボールナット２４に対して軸線方向へ進退し、当該直線運動が当該ボールナット２４によって回転運動に変換されて円盤２３が回転運動することにより、円盤２３の回転慣性質量の慣性力によって生じる復元力により、上記相対変位が抑制される。

次いで、地震が発生して構造物に作用する揺れの振幅が大きくなった場合には、軸部材１１の降伏部分１５が降伏し、その履歴減衰によって上記揺れのエネルギーを吸収して、当該揺れを低減する。

この結果、設置場所に制約がある構造物においても、簡易な構造によって、上記構造物に生じる振動に対して、回転慣性質量ダンパー２０によって当該構造物の振動特性を調整することによる揺れの抑制効果と、地震時における変位依存型ダンパー１０によるエネルギー吸収を用いた制震効果とを奏することが可能になる。

この際に、回転慣性質量ダンパー２０からブラケット１９を介して、軸部材１１と構造物の架構との接合部分等に反力が作用するが、当該反力が、ボルト２７の締め付け力および摩擦材２７の摩擦係数によって決定される所定の値を超えると、ブラケット１９と取付板２５との間に滑りが生じる。これにより、回転慣性質量ダンパー２０から軸部材１１や構造物側に、過大な反力が作用することも防ぐことができる。

このように、上記制震ダンパーによれば、変位依存型ダンパー（履歴減衰ダンパー）１０と回転慣性質量ダンパー２０とを並列的に一体化しているために、設置場所の数に制約がある構造物においても、簡易な構造によって、当該構造物に生じる振動に対して、揺れの抑制効果と制震効果とを同時に奏することが可能になる。

この結果、構造物に振動が発生して、架構が変形した場合には、相対変位を生じる軸部材１１および座屈拘束部材１２間に介装された回転慣性質量ダンパー２０によって、常に振動抑制効果を発揮させることができる。このため、強風や地震等によって構造物に生じる小振幅から大振幅に至る様々な振動に対して、上記構造物の揺れを抑制するとともに地震発生時には、同時に上記変位依存型ダンパー１０のエネルギー吸収機能によって制震効果も発揮することができる。

（第２の実施形態）
図６〜図８は、本発明に係る複合制震ダンパーの第２の実施形態を示すもので、図１〜図５に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。なお、図６および図７においては、目視の便宜上、座屈拘束部材１２を構成する角型鋼管の外壁面を省略して内部を示した図としてある。
これらの図において、本実施形態に係る複合制震ダンパーが第１の実施形態に示したものと相違する点は、回転慣性質量ダンパー２０の設置数およびそれらの配置にある。

すなわち、この複合制震ダンパーにおいては、合計４組の回転慣性質量ダンパー２０がそれぞれ変位依存型ダンパー１０と並列的に設けられている。そして、軸部材１１には、その面外方向に突出して４本の座屈拘束部材１２を構成する角型鋼管の中空部に臨む位置に、それぞれブラケット１９が固定されている。

そして、各々のブラケット１９に、上述したボルト２７およびナットによって、摩擦材２６を間に介して取付板２５が取り付けられ、当該取付板２５の先端部に固定された軸受け２１および円盤２３が固定されたボールネジ２２が、座屈拘束部材１２を構成する角型鋼管の内部に挿入されている。

他方、座屈拘束部材１２の角型鋼管の内部には、ボールネジ２２を支持するとともに、その直線運動を回転運動に変換する複数（図では２組）のボールナット２４が、軸線方向に間隔をおいて固定されている。

以上の構成からなる複合制震ダンパーによっても、第１の実施形態に示したものと同様の作用効果を得ることができる。
加えて、本実施形態の複合制震ダンパーによれば、４組の回転慣性質量ダンパー２０を、変位依存型ダンパー１０の各々の座屈拘束部材１２を構成する角型鋼管の内部に、当該変位依存型ダンパー１０と並列的に設けているために、これらの回転慣性質量ダンパー２０から作用する復元力の合力を、変位依存型ダンパー１０と同軸的にバランス良く作用させることができる。

しかも、回転慣性質量ダンパー２０を構成するボールネジ２２、円盤２３およびボールナット２４等の部材を、座屈拘束部材１２を構成する角型鋼管の内部に配置しているために、極めてコンパクトな外観形状によって、変位依存型ダンパー１０および回転慣性質量ダンパー２０の機能を発揮することができ、設置が一層容易になる。さらに、回転部材であるボールネジ２２や円盤２３を、上記角型鋼管で覆うことにより保護することもできるという効果も得られる。

なお、上記第１および第２の実施形態においては、いずれも回転慣性質量ダンパー２０から軸部材１１や構造物側に、過大な反力が作用することも防ぐために、ブラケット１９に長穴１９ａを形成して、軸受け２１の取付板２５を、摩擦材２６を間に介してボルト２７およびナットの所定の締め付け力でブラケット１９に取り付けた場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、例えばブラケット１９や取付板２５自体を、過度の応力が作用した際に降伏する極降伏点鋼のような降伏部材によって形成すれば、同様の作用効果を得ることが可能である。

１０ 変位依存型ダンパー
１１ 軸部材
１２ 座屈拘束部材
１１ａ、１１ｂ 端部
１２ａ 一端部
１２ｂ 他端部（自由端）
１４ 弾性部分
１５ 降伏部分
１９ ブラケット
２０ 回転慣性質量ダンパー
２１ 軸受け
２２ ボールネジ
２３ 円盤
２４ ボールナット

Claims (3)

1. 振動によって相対変位を生じる構造物の架構の対向部材間に介装されて、上記相対変位を抑制するとともに上記振動のエネルギーを吸収する複合制震ダンパーであって、
   各々の端部が上記対向部材に接続されるとともに地震による上記相対変位によって降伏する降伏部分が形成された軸部材と、この軸部材の面外方向への変形を拘束するように当該軸部材の表面に添設され、一端部が上記軸部材に連結されるとともに他端部が自由端とされた座屈拘束部材とを備えた変位依存型ダンパーに、上記軸部材と上記座屈拘束部材の上記自由端との間に生じる相対変位を円盤の回転運動に変換して、当該円盤の回転慣性質量による慣性力によって上記相対変位に対する復元力を生じさせる回転慣性質量ダンパーを並列的に設けたことを特徴とする複合制震ダンパー。
2. 上記回転慣性質量ダンパーは、軸線を上記軸部材および上記座屈拘束部材の延在方向に沿わせて配設されるとともに、一端部が上記軸部材側に固定された軸受けに回転自在に支持されたボールネジと、このボールネジの外周に固定された円盤と、上記座屈拘束部材の上記自由端側に固定されて上記ボールネジを支持するとともに、当該ボールネジの軸線方向の移動を回転運動に変換するボールナットとを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の複合制震ダンパー。
3. 上記軸部材は、平板状鋼材または十字型鋼材からなり、かつ上記座屈拘束部材は、その表面を上記軸部材の表面に沿わせて相対変位自在に配設された角型鋼管であるとともに、
   上記軸部材に、面外方向に突出するブラケットを固定し、当該ブラケットに上記回転慣性質量ダンパーの上記軸受けを取り付けるとともに、上記ボールネジ、上記円盤および上記ボールナットを上記角型鋼管の内部に配置したことを特徴とする請求項２に記載の複合制震ダンパー。

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